Antimicrobial properties of Weissella cibaria strains isolated from Campos das Vertetes, Minas Gerais, Brazil and its potential use as probiotic and bacteriocin producers.
Propriétés antimicrobiennes des souches de Weissella cibaria isolées de Campos das Vertetes, Minas Gerais, Brésil et son utilisation potentielle comme producteurs de probiotiques et de bactériocines
Résumé
.Weissella is a bacterial genus belonging to the lactic acid bacteria group. Strains belonging to the genus Weissella are indigenous, which are found in dairy and non-dairy environments. They have the ability to produce various compounds of interest for the food industry. This thesis work started with two literature reviews that highlighted the biology but also the potential application of Weissella strains for the food and pharmaceutical industries. Indeed, some Weissella strains have proven to be beneficial in this field because of their ability to produce non-digestible oligosaccharides. This thesis work continued then with the study of the biodiversity of strains isolated from artisanal cheeses from different regions of Brazil. Analyses by PFGE and Rep-PCR techniques have allowed us to identify different profiles and thus typical ecological niches. Following this analysis, we selected candidates for each group and proceeded to their characterization, such as their antimicrobial potential against foodborne pathogens. Most of the tested candidates showed an inhibitory activity against these pathogens. In addition to this antagonistic activity, we studied the technological potential of thirteen strains. Based on all these results, we selected three strains with good inhibitory activity, the first one is Weissella cibaria W25 (W25). The genome of this strain was sequenced and assembled. Then, we compared the genome of our strain W25 with that of W. cibaria 110, known to produce the bacteriocin weissellicin 110, and those of four other non-bacteriocin-producing strains of W. cibaria. Bioinformatics analyses showed that strain W25 possesses bacteriocin genes according to AntiSmash software; suggesting the possibility of producing two different bacteriocins. By the same approach, we analyzed the genomes of the three other strains of Weissella, namely W21, W25 and W42. This comparative study allowed us to locate DNA (open reading phase) that could correspond to a putative bacteriocin identified as class_IIc. Nucleotide and amino acid sequence comparisons of this putative bacteriocin with those available in the NCBI database did not reveal any similarities, suggesting a new bacteriocin not yet described. Finally, other experimental work was conducted on three strains in order to establish their probiotic potential for human and/or animal application. The results of this study show that the three Weissella strains do not possess acquired antibiotic resistance genes, nor mobile genetic elements in their genomes. These strains are characterized by the absence of hemolytic activity and known virulence factors and have no CRISPR-Cas defense system. In addition, they do not show any inflammatory or cytotoxic capacity on Caco-2 eukaryotic cells. In particular, the W21 strain shows excellent adhesion to intestinal cells and stands out for its ability to exclude a formidable pathogen, in this case Staphylococcus aureus. Like the majority of probiotics, none of the three strains revealed survival capacities in conditions mimicking the gastrointestinal tract, which will not limit their use because means of protection exist, notably encapsulation. In conclusion, this work allowed to establish a first snapshot of the diversity and distribution of Weissella species in different artisanal cheeses from Brazil. This study allowed to show the potential of these strains of the Weissella genus to produce bacteriocins but also to be used as probiotics or even as protective cultures.
Weissella est un genre bactérien appartenant au groupe de bactéries lactiques. Les souches appartenant au genre Weissella sont autochtones et vivent dans des environnements laitiers et non laitiers. Elles ont la capacité de produire divers composés d'intérêt pour l'industrie alimentaire. Ce travail de thèse a débuté par deux revues de littérature qui ont permis de mettre en relief la biologie mais aussi le potentiel d'application des souches Weissella pour les industries alimentaires et pharmaceutiques. En effet, certaines souches de Weissella se sont avérées être bénéfiques dans ce domaine en raison de leur capacité à produire des oligosaccharides non digestibles. Ce travail de thèse s'est poursuivi par l'étude de la biodiversité des souches isolées de fromages artisanaux de différentes régions du Brésil. Les analyses par les techniques PFGE et Rep-PCR ont permis de mettre des profils différents et donc des niches écologiques typiques. A la suite de cette analyse, nous avons sélectionné des candidats pour chaque groupe et procédé à leur caractérisation, comme leur potentiel antimicrobien contre des agents pathogènes d'origine(s) alimentaire(s). La plupart des candidats testés ont montré une activité inhibitrice contre ces germes pathogènes. Outre cette activité antagoniste, nous avons étudié le potentiel technologique de treize souches. Sur la base de tous ces résultats, nous avons retenu trois souches avec une bonne activité inhibitrice, la première est Weissella cibaria W25 (W25). Le génome de cette souche a été séquencé et assemblé. Ensuite, nous avons comparé le génome de notre souche W25 à celui de W. cibaria 110, connue pour produire la bactériocine weissellicine 110, et ceux de quatre autres souches de W. cibaria non productrices de bactériocines. Les analyses bio-informatiques ont montré que la souche W25 possède des gènes de bactériocines selon le logiciel AntiSmash ; laissant à penser la possibilité de produire deux bactériocines différentes. Nous avons par la même approche analysée les génomes des trois autres souches de Weissella à savoir W21, W25 et W42. Cette étude comparative a permis de localiser de l'ADN (phase de lecture ouverte) pouvant correspondre à une bactériocine putative identifiée comme de la classe_IIc. Les comparaisons de séquences nucléotidiques et en acides aminés de cette bactériocine putative avec celles disponibles dans la base de données NCBI n'ont pas permis de trouver des similitudes, laissant présager une nouvelle bactériocine non décrite à ce jour. Enfin, d'autres travaux expérimentaux ont été menées sur trois souches afin d''établir leur potentiel probiotique pour une application humaine et/ou animale. Il en ressort de cette étude que les trois souches de Weissella ne possèdent pas de gènes acquis de résistance aux antibiotiques, ni d'éléments génétiques mobiles dans leurs génomes. Ces souches se distinguent par une absence d'activité hémolytique et de facteur de virulence connu et sont dotées de système de défense CRISPR-Cas. En plus, elles ne présentent aucune capacité d'inflammation ou de cytotoxicité sur les cellules eucaryotes de type Caco-2. En particulier, la souche W21 présente d'excellents résultats d'adhésion aux cellules intestinales et se distingue par sa capacité d'exclusion d'un pathogène redoutable, en l'occurrence Staphylococcus aureus. Comme la majorité des probiotiques, aucune des trois souches n'a révélé des capacités de survie dans les conditions mimant le tractus gastro-intestinal, ce qui ne va pas limiter leur utilisation car des moyens de protection existent notamment l'encapsulation. En conclusion, ce travail a permis d'établir une première cartographie de la diversité et de la distribution des espèces de Weissella dans différents fromages artisanaux du Brésil. Cette étude a permis de montrer le potentiel de ces souches du genre Weissella à produire des bactériocines mais aussi à être utilisées comme probiotiques, voire comme cultures protectrices.